УСТРОЙСТВО для ИЗМЕРЕНИЯ ФЛУКТУАЦИИ ФАЗ В ОПТИЧЕСКОМ ДИАПАЗОНЕ Советский патент 1972 года по МПК G02B26/10 G02B26/06 

Изобретение относится к технике измерения флуктуации фаз когерентного света, прошедшего через турбулентную среду. Устройство может найти применение во всех тех случаях, когда требуется измерить величину изменения оптической длины пути, пройденного пучком когерентного света.

Для измерения флуктуации фаз световых волн обычно используют устройства, основанные на методе интерференции. Необходимую информацию получают путем анализа дрожания полос интерференционной картины, предварительно записанной на фотопленке. Иначе говоря, на выходе таких устройств регистрируются данные о структуре интерференционной картины. Для получения информации о флуктуациях разности фаз наложенных пучков (или о флуктуациях фазы одного из них при условии постояпства фазы другого пучка) предполагается последующий анализ изменений (флуктуации) структуры интерференционной картины.

Устройства, основанные на методе интерференции, чувствительны к фоновым засветкам, снижающим контрастность интерференционной картины, из-за чего затрудняется последующий процесс обработки записей.

Кроме того, метод интерференции в приицине является интегральным по пространству. Он предполагает интегрирование разности фаз по плоскости поперечного сечения пучка, у так как для обработки интерферограмм необходима одновременная запись нескольких максимумов интенсивности (трех как мипимум).

Цель изобретения - повышение чувстви-:

0 тельности, расщирение динамнческого и частотного диапазонов, обеспечение помехозащищенности устройства от фоновых щумов, непрерывности записи сигнала путем разработки устройства, основанного на известном методе гетеродинирования оптических волн.

Это достигается тем, что используют дпфракционно-донлеровский модулятор, позволяющий получить два светов э1х нучка, разнесенных в пространстве и по частоте.

Сигнал записывают с помощью пыейфово0го осциллографа двухканальным квадратурным методом. Примененная форма записи сигнала позволяет однозначно определить величину фазы световой волны, начиная с 25 заданного момента времени. В начальный момент времени фаза волны принимается равной нулю.

Излучаемый гелий-неоновым лазером / пучок 2 когерентного света нроходит через дифракционно-доплеровский модулятор 3, который нозволяет получить два нучка 4 и 5, разнесенные в пространстве п по частоте. После коллнмирующей линзы 6 пучки 4 и 5 направляются по параллельным путям через полупрозрачные зеркала 7 вдоль трассы, длиной , L, с исследуемой средой. В конце этой трассы лучи с помощью отражающего зеркала 8 совмещаются на полупрозрачном зеркале Р и поступают на фотоумножитель 10, на котором выделяется информационный сигнал Прогмежуточной частоты (ПЧ), равный разности частот исходных пучков.

Опорный сигнал формируется в начале трассы на полупрозрачном зеркале 11 и выделяется па фотоумножителе 12. Информационный сигнал с выхода фотоумножителя 10 через селективный усилитель 13 и ограничитель 14 амплитуд поступает на два синхронных детектора 15 и 16, выходы которых подключены к щлейфовому осциллографу 17. Опорный сигнал, управляющий работой ключей синхронных детекторов, усиливается селективным усилителем 18.

Дифракционно-доплеровский модулятор выполнен в виде диска 19 с дифракционной решеткой 20, вращаемого электромотором 21. Пучок 2 когерентного света, пройдя через дифракционную рещетку, расслаивается на множество вторичных пучков (дифракционных максимумов). Центральный вторичный пучок является продолжением падающего пучка. Остальные пучки в простейшем случае (когда штрихи одномерной дифракционной решетки расположены вертикально, а направление распространения падающего пучка совпадает с нормалью к плоскости дифракционной рещетки), составляют в горизонтальрой плоскости с центральным (нулевым) пучком угол ип, определяемый из выражения:

sin а„ г ,

где л ±1; ±2 . , . - номер пучка; -длина волны света 1-период дифракционной решетки В данном случае точку пересечения падающего луча с решеткой можно рассматривать как двигающийся с линейной скоростью v генератор вторичных лучей. В результате эффекта Донлера вторичные пучки испытывают частотный сдвиг 4Д определяемый по формуле:

.я(2)

Для работы были выбраны пучки под номером + 1 и -I. Разность частот между ними составляла 10 кгц.

распространяется один из пучков, меняется фаза последнего. При постоянстве фазы второго пучка изменение фазы сигнала ПЧ равно изменению фазы первого пучка.

Работа устройства основана на сравнении фазы сигнала ПЧ (У) в конце трассы с фазой опорного сигнала, величина которой может быть принята равной нулю (фоп - 0)Известно, что напряжение на выходе синхронного детектора (Ui) пропорциопально синусу фазы (при постоянной амплитуде) входного сигнала (У). Аналитически это может быть записано в виде выражения:

Ui k-smJf,(3)

где k - коэффициент пропорциональности.

Поскольку напряжение на выходе синхронного детектора Ui, а требуется информация об изменениях (флуктуациях) фазы У, то обработка записей сводится к определению фазы У по заниси выходного напряжения t/i. По функция

i - arcsin .г-(4)

есть функция неоднозначная.

Для устранения неоднозначности используется квадратурный метод записи сигнала, сущность которого заключается в том. что

одновременно с записью основного сигнала согласно формуле (3) записывается дополнительный сигнал, фаза которого отличается на 90° от основного (сигналы находятся в квадратуре). В этом случае напряжение на выходе второго синхронного детектора записывается в виде

11.)- k-cos ср(5)

По заниси сигнала квадратурным методом фаза определяется как функция двух аргументов

,.., .

по формулам

Ф arcsin/., arccosX.,(6)

Флуктуации фазы по формулам (6) определяется однозиачно.

Предмет изобретения

1. Устройство для измерения флуктуации фаз в оптическом диапазоне, содержащее лазер, измерительный и опорный каналы; при этом в измерительном канале установлены

двухлучевая оптическая система с исследуемой средой, фотоэлектронный умножитель, усилитель, ограничитель, а в опорном канале установлены двухлучевая оптическая система, фотоэлектронный умножитель и усилитель; схему сравнения, к входам которой подключены выходы указанных каналов, и записывающее устройство, отличающееся тем, что, с целью увеличения чувствительности, расширения динамического и частотного диаустройства от фоновых шумов и обеспечения непрерывности записи сигнала, между лазером и оптическими системами включен дифракционно-доплеровский модулятор и коллимирующая линза.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем,

что дифракциоино-доплеровский модулятор

выполнен в виде вращаемого электромотором

диска, на краю которого размещена дифракционная рещетка.